[发明专利]卷取机的张力模糊PID控制方法

摘要

本发明公开了一种卷取机的张力模糊PID控制方法，该方法采用电流环和速度环双闭环控制，对电流环和速度环的反馈环节分别设置速度和电流调节器，并采用六个模糊控制器控制电流环和速度环的PID参数，每个模糊控制器采用两输入一输出，输入量均为设定张力的偏差值E以及偏差变化率Ec，输出量分别为电流控制器和速度控制器需要的P、I、D参数；在电流调节器与速度调节器之前分别串入3个相应的模糊控制器，在卷取机运行的过程中，不断调整隶属度函数，对电机转速和电枢电流进行控制，实现对卷取机张力的自动控制，使卷取机的张力实现自动调节始终保持恒定；通过simulink仿真，证实该方法响应快，调整能力强，鲁棒性好，有效地改善了控制效果。

主权项

一种卷取机的张力模糊PID控制方法，其特征在于，该方法采用电流环和速度环双闭环控制，对电流环和速度环的反馈环节分别设置PID调节器，即速度调节器和电流调节器，并采用六个模糊控制器分别控制电流环和速度环的PID参数的调整，每个模糊控制器采用MISO的形式即两输入一输出，输入量均为设定张力的偏差值E以及偏差变化率Ec，输出量分别为电流控制器和速度控制器需要的P、I、D参数；在电流调节器与速度调节器之前分别串入3个相应的模糊控制器，在卷取机运行的过程中，不断调整隶属度函数，对电机的转速和电机电枢电流进行控制，从而实现对卷取机张力的自动控制，使卷取机的张力T实现自动调节始终保持恒定；具体操作如下：用户根据公式T=σ0bh设定所需张力T：其中，b为带钢的宽度，单位：mm；h为带钢的厚度，单位：mm；σ0为带钢的单位张力，单位： N/mm2；根据公式MT=T*(D/2)计算得到张力力矩MT，单位：Nm；其中，T为张力设定值单位：N，D为卷筒卷径D，单位：m；计算动态力矩MD，单位：Nm；通过实验得到空载力矩Mo，单位：Nm；将张力力矩MT、动态力矩MD、空载力矩Mo相加得到主电 机的力矩极限值Mm；在主电机(M)上安装第二脉冲编码器(2)测得卷筒的转速n，通过S辊的线速度V1计算卷筒的线速度V2，将卷筒的线速度V2与卷筒的转速n经过除法器得到卷筒卷径D；S辊的线速度V1与S辊的直径DS经过除法器得到转速给定值，转速给定值与转速n经过比较器得到速度偏差；卷筒卷径D与带钢带宽共同作用的转动惯量经过比例调节器，所述比例调节器用于根据卷筒卷径D与带钢带宽的变化引起的动态惯量变化来调节比例系数；将速度偏差和比例系数输入速度调节器得到速度整定值，速度整定值作为电流给定值；将电流给定值和力矩极限值Mm 送入电流调节器，经电流调节器通过如下公式得到主电机(M)的电枢电流值，使主电机(M)根据得到的电枢电流Id运转；Mm＝CmφId其中，Mm 为主电机的力矩极限值；φ为磁通量，单位：Wb；Cm为电动机力矩常数，取2.68N/m·A；Id为电枢电流，单位：A；所述的模糊控制器的设置如下；步骤1：对每个模糊控制器的输入和输出均设置七个语言值，采用Gauss型函数，并确定函数的边界点和中心点，完成所有控制语言的隶属度函数；步骤2：建立模糊规则表，即确定输入和输出之间的控制规则；步骤3：对输出的模糊语言利用模糊规则表解模糊；所述的步骤3采用最大隶属度法解模糊；在解模糊过程中，如果推理出来的论域有多个元素同时出现最大隶属函数的值，就取这些元素的平均值作为该隶属函数的清晰值；S辊的驱动电机(M1)通过第一减速器连接S辊，在S辊的驱动电机(M1)安装第一脉冲编码器(1)检测S辊的转速n1，利用下式计算得到S辊的线速度V1：其中，DS——S辊的直径，单位：m；n1——S辊的实际转速，单位：r/min；π——圆周率；所述比例调节器根据系统卷径带宽的变化引起的动态惯量变化，来调节速度调节器的比例系数，给速度调节器叠加一个5％的给定值，使速度饱和；饱和的速度使电流环限幅输出，当速度饱和后，力矩极限接管系统控制；比例系数的计算公式如下：其中，Kn——比例调节器的比例系数；h——频率宽度，为了跟随特性和抗干扰性，h取5；β——电流反馈系数，单位：V/A，取0.0095V/A；Ce——主电机的电势转速比，单位：V/( r.min‑1)，取0.185V/( r.min‑1)；Tm——主电机机电时间常数，单位：s，空卷时Tm＝0.148s，满卷时Tm＝0.9s；T∑n——惯性时间常数，单位：s，取0.0124s；α——转速反馈系数，单位：s，取0.001s；R——电枢回路等效电阻，单位：欧姆。